清华大学：《VLSI设计导论》第三章 器件设计技术

第三章器件设计技术 2021/2/21

2021/2/21 1 第三章 器件设计技术

第一节引言 集成电路按其制造材料分为两大类: 类是Si(硅),另一类是GaAs(砷化 镓)。目前用于ASIC设计的主体是硅材 料。但是,在一些高速和超高速ASIC设 计中采用了GaAs材料。用GaAs材料制成 一的集成电路,可以大大提高电路速度,但 是由于目前GaAs工艺成品率较低等原因, 所以未能大量采用 2021/2/21

2021/2/21 2 第一节 引言 集成电路按其制造材料分为两大类： 一类是Si（硅），另一类是GaAs（砷化 镓）。目前用于ASIC设计的主体是硅材 料。但是，在一些高速和超高速ASIC设 计中采用了GaAs材料。用GaAs材料制成 的集成电路，可以大大提高电路速度，但 是由于目前GaAs工艺成品率较低等原因， 所以未能大量采用

ASIC Silicon GaAs B Upper MOS Bipoloer FET Logic ECLCML TTL IIL NMOS PMOS MNOS CMOS CMOS/SOS HSMOS Metal gate VMOS CMOS 2021/2/21 3

2021/2/21 3 Silicon GaAs ASIC Bipoloer FET Logic …… Bippler MOS ECL/CML TTL IIL NMOS PMOS MNOS CMOS CMOS/SOS HSMOS Metal Gate VMOS CMOS

1、在双极型工艺下 一 ECL/CML: Emitter Coupled Logic/Current Mode Logic 射极耦合逻辑/电流型开关逻辑 TTL: TransistorTransistor logic 晶体管-晶体管逻辑 IL: Integrated Injection Logic 集成注入逻辑 2021/2/21

2021/2/21 4 1、在双极型工艺下 ECL/CML： Emitter Coupled Logic/Current Mode Logic 射极耦合逻辑/电流型开关逻辑 TTL：Transistor Transistor Logic 晶体管-晶体管逻辑 ：Integrated Injection Logic 集成注入逻辑 I L 2

2、在MOS工艺下 NMOS、PMOS MNOS: Metal Nitride (g Oxide Semiconductor ( E)NMOS与( D)NMOS组成的单元 CMOS: Metal Gate CMOS HSCMOS: High Speed CMOs(硅栅CMOS) CMOS/SOS: Silicon on Sapphire (兰宝石上CMOS,提高抗辐射能力) VMOS: Vertical cmos(垂直结构CMOS 提高密度及避免 Latch-Up效应) 2021/2/21

2021/2/21 5 2、在MOS 工艺下 NMOS、PMOS： MNOS：Metal Nitride（氮） Oxide Semiconductor (E)NMOS与(D)NMOS组成的单元 CMOS: Metal Gate CMOS HSCMOS：High Speed CMOS （硅栅CMOS） CMOS/SOS：Silicon on Sapphire （兰宝石上CMOS，提高抗辐射能力） VMOS：Vertical CMOS（垂直结构 CMOS 提高密度及避免Latch-Up效应）

3、GaAs集成电路 GaAs这类Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中载流子的迁移 率比硅中载流子的迁移率高,通常比掺杂硅要高 出6倍。 GaAs是一种化合物材料,很容易将硅离子注入 到GaAs中形成 MESFET( Metal semi- conduction Field effect transistor)的源区与漏区,且由注入 深度决定 MESFETI的类型。注入深度在500~1000 时是增强型,而1000~2000时是耗尽型4 从工艺上讲GaAs的大规模集成也比较容易实现 目前GaAs工艺存在的问题是它的工艺一致性差, 使其制造成品率远远低于硅集成电路。 2021/2/21

2021/2/21 6 3、 GaAs集成电路 GaAs这类Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中载流子的迁移 率比硅中载流子的迁移率高，通常比掺杂硅要高 出6倍。 GaAs是一种化合物材料，很容易将硅离子注入 到GaAs中形成MESFET（Metal Semi-conduction Field Effect Transistor）的源区与漏区，且由注入 深度决定MESFET的类型。注入深度在500~1000 时是增强型，而1000~2000 时是耗尽型。 从工艺上讲GaAs的大规模集成也比较容易实现。 目前GaAs工艺存在的问题是它的工艺一致性差， 使其制造成品率远远低于硅集成电路。  A  A

第二节MOS晶体管的工作原理 MosFet Metal Oxide Semi-conduction Field Effect Transistor),是构成VLSI的基本元件。 简单介绍MOS晶体管的工作原理。 半导体的表面场效应 1、P型半导体 。8。8。。 图1P型半导体 2021/2/21

2021/2/21 7 第二节 MOS晶体管的工作原理 MOSFET（Metal Oxide Semi-conduction Field Effect Transistor），是构成VLSI的基本元件。 简单介绍MOS晶体管的工作原理。 一、半导体的表面场效应 1、P型半导体 图 1 P 型半导体

2、表面电荷减少 图2表面电荷减少 2021/2/21

2021/2/21 8 2、表面电荷减少 图 2 表面电荷减少

3、形成耗尽层 ↓+↓+↓↓↓↓↓ 耗尽层(高阻区) ○○ ) ○○○O 图3形成耗尽层 2021/2/21

2021/2/21 9 3、形成耗尽层 图 3 形成耗尽层 耗尽层（高阻区）

4、形成反型层 ↓ VVVVVV√vy 反型层 图4形成反型层 2021/2/21

2021/2/21 10 4、形成反型层 图 4 形成反型层 反 型 层